高鐵酸鉀氧化處理對(duì)氯苯酚廢水的研究

劉菲，趙勝勇，劉啟龍

(1.河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052；2.河南省工業(yè)廢水吸附分離工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450052)

對(duì)氯苯酚是一種含氯類芳香族化合物，具有高毒、易燃等有害特性[1-2]，不易降解，主要用作藥物、染料、化工中間體[3]。對(duì)氯苯酚廢水治理方法有物理法[4-7]、生物法[8-10]、化學(xué)法[11-15]等，其中化學(xué)法具有設(shè)備要求相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低廉等較大優(yōu)勢(shì)，被化工企業(yè)廣泛應(yīng)用[16]。

高鐵酸鹽作為一種高價(jià)鐵含氧化合物，自身氧化電位高，具有很強(qiáng)的氧化特性，在廢水處理過程中不僅可以進(jìn)行氧化處理有機(jī)物，還具有吸附、絮凝和助凝等多種協(xié)同作用，反應(yīng)產(chǎn)物無毒、無害，是近年來研究的熱點(diǎn)[17-18]。本研究以對(duì)氯苯酚模擬廢水為研究目標(biāo)，使用高鐵酸鉀為氧化劑，研究了不同因素對(duì)廢水處理效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

對(duì)氯苯酚、氫氧化鈉、硫酸、硫代硫酸鈉等均為分析純；對(duì)氯苯酚廢水為模擬廢水，配制含量為100.0 mg/L；高鐵酸鉀，采用次氯酸鹽氧化法制備(純度98.0%)。

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；LC-10AP液相色譜儀；PHS-25臺(tái)式數(shù)顯pH計(jì)；JJ-1000型電子天平。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在室溫25 ℃的條件下，將100.0 mL對(duì)氯苯酚廢水加入到250 mL的三口圓底燒瓶中，打開磁力攪拌，使用氫氧化鈉(粉末狀)或硫酸水溶液(50%)調(diào)節(jié)廢水溶液的pH值，然后加入高鐵酸鉀(粉末)，到達(dá)設(shè)定時(shí)間60 min之后，使用硫代硫酸鈉飽和溶液結(jié)束反應(yīng)。取2.5 mL反應(yīng)溶液進(jìn)行離心處理，吸取上層溶液使用液相色譜進(jìn)行對(duì)氯苯酚殘留濃度分析，計(jì)算對(duì)氯苯酚去除率。

1.3 分析方法

將取出的上層液體稀釋為原來的1/10后直接進(jìn)樣，使用液相色譜儀分析對(duì)氯苯酚濃度，色譜柱為C18反相色譜柱，流動(dòng)相為甲醇∶水=70∶30(體積比)，流速為1.0 mL/min，檢測(cè)波長(zhǎng)為280 nm，柱溫25 ℃。根據(jù)色譜峰保留時(shí)間定性，采用色譜峰面積外標(biāo)法進(jìn)行定量分析。計(jì)算對(duì)氯苯酚去除率。

式中C0——對(duì)氯苯酚初始濃度，mg/L；

Ct——對(duì)氯苯酚殘留濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚質(zhì)量比對(duì)對(duì)氯苯酚去除率的影響

在1.2節(jié)的反應(yīng)條件下，氧化反應(yīng)時(shí)間為 60 min、廢水溶液pH值調(diào)節(jié)為7，高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚的質(zhì)量比對(duì)處理對(duì)氯苯酚效果的影響見圖1。

圖1 高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚的質(zhì)量比對(duì)對(duì)氯苯酚去除率的影響Fig.1 Effect of mass ratio potassium ferrate to p-chlorophenol on the removal rate of p-chlorophenol

由圖1可知，對(duì)氯苯酚去除率隨高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚的質(zhì)量比的增大而持續(xù)增高，當(dāng)兩者質(zhì)量比>20之后，去除率保持不變。這個(gè)結(jié)果和高鐵酸鉀處理其它酚類物質(zhì)非常類似，其機(jī)理可以簡(jiǎn)單分析如下：對(duì)氯苯酚質(zhì)量不變的情況下，高鐵酸鉀的質(zhì)量不斷增加，高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚分子之間的碰撞頻率逐漸增大，從而造成氧化反應(yīng)速度不斷加快，而當(dāng)高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚的質(zhì)量比到達(dá)20時(shí)，碰撞的幾率達(dá)到最高，氧化反應(yīng)速度不再增加。所以，高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚的最佳質(zhì)量比為20，處理后廢水的對(duì)氯苯酚濃度為19.5 mg/L，對(duì)氯苯酚去除率為80.5%。

2.2 氧化反應(yīng)時(shí)間對(duì)對(duì)氯苯酚去除率的影響

在2.1節(jié)的反應(yīng)條件下，氧化反應(yīng)時(shí)間對(duì)處理對(duì)氯苯酚效果的影響見圖2。

圖2 氧化反應(yīng)時(shí)間對(duì)對(duì)氯苯酚去除率的影響Fig.2 Effect of oxidation reaction time on the removal rate of p-chlorophenol

由圖2可知，對(duì)氯苯酚去除率隨著氧化反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)先增加后平穩(wěn)，對(duì)氯苯酚去除率30 min就達(dá)到最大值80.5%，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)，對(duì)氯苯酚去除率保持不變。在反應(yīng)初期，高鐵酸鉀和對(duì)氯苯酚濃度最高，兩者碰撞的幾率最高，氧化反應(yīng)速度最快，但是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，兩者濃度不斷減小，碰撞的幾率降低，反應(yīng)效率逐步減慢。因此，最佳反應(yīng)時(shí)間為 30 min，對(duì)氯苯酚去除率為80.5%。

2.3 廢水pH值對(duì)對(duì)氯苯酚去除率的影響

在2.2節(jié)的反應(yīng)條件下，進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件，廢水的pH值對(duì)處理對(duì)氯苯酚效果的影響見圖3。

圖3 廢水溶液pH值對(duì)對(duì)氯苯酚去除率的影響Fig.3 Effect of wastewater solution pH value on the removal rate of p-chlorophenol

由圖3可知，隨著對(duì)氯苯酚廢水的pH值增加，對(duì)氯苯酚去除率是先增加后降低，在pH值為4的59.4%逐步提高到pH值為9時(shí)達(dá)最大值94.3%，隨后又逐漸降低。由此可見，pH 8～10條件下高鐵酸鉀處理對(duì)氯苯酚的能力最強(qiáng)。這個(gè)結(jié)果和高鐵酸鉀處理其它酚類物質(zhì)非常類似，結(jié)合高鐵酸鉀在酸堿條件下的氧化性、穩(wěn)定性可知[19]，高鐵酸鉀氧化性是酸性條件強(qiáng)于堿性條件，而穩(wěn)定性則堿性條件強(qiáng)于酸性條件，所以pH值為8～10的時(shí)候，高鐵酸鉀氧化能力最好，使得對(duì)氯苯酚去除率達(dá)到最高。因此，最佳pH為9，對(duì)氯苯酚去除率為94.3%，處理后廢水的對(duì)氯苯酚濃度為4.7 mg/L。

3 結(jié)論

高鐵酸鉀在處理對(duì)氯苯酚廢水中具有氧化速度快、對(duì)氯苯酚去除率高等優(yōu)點(diǎn)。在100 mL模擬廢水中對(duì)氯苯酚濃度為100.0 mg/L時(shí)，最佳去除對(duì)氯苯酚的條件是：高鐵酸鉀與對(duì)氯苯酚質(zhì)量比為20，氧化反應(yīng)時(shí)間30 min，廢水pH值為9，剩余對(duì)氯苯酚濃度為4.7 mg/L，對(duì)氯苯酚去除率高達(dá)94.3%。